探訪浙江首個國家重點實驗室：硅材料實驗室

    鋰電世界  走進浙江大學玉泉校區新橋門，在第一個路口右拐，一直朝北走到底，你會看到一個單獨的院落，里面有寥寥幾幢二層高的樓房，看上去普普通通。

    但內行人知道，這里坐落的是浙大及浙江省第一個國家重點實驗室——硅材料國家重點實驗室。1985年，在浙江大學半導體材料研究所的基礎上，原國家計委批準建設硅材料國家重點實驗室(原名高純硅及硅烷國家重點實驗室)。這是國內最早一批國家重點實驗室。

    目前，實驗室以硅材料及半導體材料為核心，重點研究半導體硅材料、半導體薄膜材料、復合半導體材料以及功能材料微納結構，是國內該領域基礎研究、技術開發和人才培養的主要基地之一。

    眾所周知，硅被廣泛應用在各種電子科技產品中，是信息產業的基礎材料。因此，它的產量和技術水平，從一個方面也標志了一個國家的電子工業水平。同時，它也是太陽能電池的主要材料，支撐了太陽能光伏高科技產業的發展。

    硅晶體體積增大，純度提高。

    走進實驗室的院子，你會看到院子里的一塊電子屏幕上，時刻滾動著“歡迎參觀硅材料國家重點實驗室”這行字。這種電子字幕太常見了，一般人很容易忽視它的存在。

    但實驗室的這塊電子屏卻是內藏玄機。支撐它日夜運轉的電能，是由太陽能轉化而來的，而其中最大的功臣，就是晶體硅制成的太陽能電池。這是硅材料一個重要的應用領域。

    在國家重點實驗室主任、浙大半導體材料研究所所長楊德仁教授的辦公室里，這種太陽能電池隨處可見。

    辦公室墻上掛著一塊用畫框裱起來的晶體硅太陽能電池。這是德國高科技企業肖特集團(SchottAG)邀請他作報告時贈予的。茶幾上放著一個小裝飾品，這是國際上最大的多晶硅材料生產企業協鑫中能公司贈送給他的，只要直接暴露在太陽光下，其中的太陽能電池就會帶動風車的葉片旋轉。

    楊德仁說，目前約90%的太陽能發電都要依賴于硅材料，它可被稱作“新能源的戰略材料”，在開發清潔的新能源上將大有作為。

    實驗室院子里那塊屏幕只是一個小范圍的使用。楊德仁舉了另一個例子，杭州火車東站的屋頂上，就鋪滿了晶體硅太陽能電池，為杭州東站提供源源不斷的電力。

    開發太陽能電池有兩個關鍵問題，降低成本和提高轉換效率。

    通常的晶體硅太陽能電池，是在高質量硅片上制成的，這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上切割而成。楊德仁說，硅晶體材料的體積越大，制成的太陽能電池的成本就會降低。

    道理很簡單，比如一個小鍋做的飯夠3個人吃，那給30個人做飯就需要做10次。但如果換成一個能做10個人飯量的大鍋，就只需要做3次，節約了時間和能源。

    硅材料國家重點實驗室的一項工作，就是研究怎么讓硅晶體材料的體積更大。對太陽能電池所用的鑄造多晶硅晶體而言，目前單一晶體爐生長的晶體可以分割成6×6=36個晶錠；如果生長的硅晶體體積增大，增大到可以切成7×7=49塊晶錠，甚至8×8=64塊晶錠，材料成本、時間成本、人工成本和電力成本都會大幅降低，最終會導致太陽能電池成本的降低。

    硅晶體體積增大的這個過程中，會遇到一系列技術難題，比如體積增大后，晶體材料內部熱應力大，容易開裂等，此類難題，實驗室的研究人員需要一一攻克。

    提高硅太陽能電池的轉換效率，也可以通過提高硅晶體純度，減少雜質來實現。目前，實驗室能達到的純度是多少呢？楊德仁的回答是，99.9999999%，小數點后7個9。

    這個純度，在外人看來四舍五入就是100%了。但實驗室的研究人員依然在想辦法，把純度再提高一點。

    這一切的努力，都是為了降低太陽能的使用成本，讓它性價比更高，從而跨入綠色能源時代。楊德仁說，現在太陽能發一度電的成本在0.7元左右，如果成本能降到0.3元，那在中國的絕大部分地區，將比煤電還要便宜。

    重視產、學、研結合培育硅材料龍頭企業

    由于硅材料的應用極其廣泛，所以實驗室產、學、研相結合的特點非常突出。

    前實驗室主任闕瑞麟院士和同事們創建實驗室之初，就有一個堅定的信念，自己的研究一定要有應用，要對國家的半導體硅材料產業有促進作用。

    其實，早在國家重點實驗室尚未成立時，半導體材料研究所就已經開始產業化的探索，建立了產業基地，將科技成果轉化為生產力。上世紀70年代，研究所創辦了浙大半導體廠，是當時浙大8家校辦工廠之一。

    楊德仁說，國內大部分領先的硅材料企業都有國家資金的扶持。浙大半導體廠則是在完全沒有任何國家投資的情況下，成長為硅材料領域的龍頭企業的。“這也是唯一一家由校辦工廠走出來的硅材料企業。”

    強大競爭力背后的秘密依然是領先的技術。楊德仁說，當時他們生產的硅產品常常賣得比別的企業都貴，但偏偏客戶都愿意要，原因就是質量好。到了上世紀90年代中期，工廠的主要產品直拉硅單晶因為生產量大，在當時被冠上“中華之最”的頭銜。

    研究所研發的半導體高純氣體硅烷，也深受企業歡迎。由于制作高純度硅材料需要用到高純度的硅烷氣體，研究所就先開發了一套制造高純度硅烷氣體的辦法。當時，這套技術被推廣到國內的多家相關企業。

    1998年，浙江大學第一家上市公司浙大海納成立，其主體部分之一就是硅材料國家重點實驗室培育出來的浙大半導體廠。